一、CAN的概述及發(fā)展歷史

CAN總線的概述及發(fā)展歷史

CAN發(fā)展的時(shí)間線：

1983年，Bosch開始研究汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

1986年，Bosch在SAE大會(huì)正式公布CAN的協(xié)議

1987年，Intel和philips公司先后推出CAN控制器芯片

1991年，Bosch頒布CAN2.0技術(shù)規(guī)范

1991年，CAN總線最新在Benz S系列轎車上實(shí)現(xiàn)

1993年，ISO頒布CAN國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO-11898

1994年，由CiA組織舉辦第一屆國(guó)際CAN大會(huì)（iCC）

2015年，CAN FD的ISO標(biāo)準(zhǔn)化

2021年，CAN XL第三代使用的規(guī)范CIA-610

CAN概述

CAN（Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)）是一種串行通信技術(shù)，專門用于在汽車電子控制單元（ECU）之間實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)交換。

CAN通信特點(diǎn)

1）節(jié)點(diǎn)間采樣多主通訊的方式

2）采用短幀結(jié)構(gòu)，報(bào)文幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，可達(dá)汽車到實(shí)時(shí)響應(yīng)的要求

3）報(bào)文ID越小，優(yōu)先級(jí)別越高。報(bào)文ID可分成不同的優(yōu)先級(jí)，進(jìn)一步滿足汽車網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的實(shí)時(shí)性要求

4）非破壞性總線仲裁處理機(jī)制

5）可靠的CRC校驗(yàn)方式，傳輸數(shù)據(jù)出錯(cuò)率極低，滿足汽車數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸?/p>

6）報(bào)文幀仲裁失敗或傳輸期間被破壞有自動(dòng)重發(fā)機(jī)制

7）節(jié)點(diǎn)在錯(cuò)誤嚴(yán)重的情況下，具有自動(dòng)脫離總線的功能，切斷它與總線的聯(lián)系，不影響總線的正常工作。

8）通訊距離最遠(yuǎn)達(dá)10KM

9）通訊速率最高1MB/S(此時(shí)距離最長(zhǎng)40m)

10)節(jié)點(diǎn)數(shù)實(shí)際可達(dá)110個(gè)

11）CAN節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)成本較低，通訊介質(zhì)采用雙絞線

通信網(wǎng)絡(luò)參考模型OSI

應(yīng)用層：人家交互

表示層：壓縮解壓、加密解密、編碼解碼

會(huì)話層：會(huì)話建立、維護(hù)中止會(huì)話隔離

傳輸層：可靠的連接，傳輸端口號(hào)---區(qū)分不同的應(yīng)用程序

網(wǎng)絡(luò)層：為了數(shù)據(jù)提供地址信息 ----IP地址（軟件地址）

數(shù)據(jù)鏈路層：為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)提供地址MAC地址（硬件地址）

物理層：提供電氣規(guī)格，數(shù)據(jù)bit的傳輸100101011

二、CAN的物理層

CAN使用總線傳輸方式

早期汽車使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通訊方式，現(xiàn)在使用總線式的線束連接，減少了通訊線的數(shù)量、通過多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的高速傳輸、診斷和做線纜簡(jiǎn)單。

CAN物理電平說明

容錯(cuò)CAN優(yōu)缺點(diǎn)：通訊速率低，承載的節(jié)點(diǎn)少，但具有更高的抗干擾能力。

CAN的編碼規(guī)則

CAN編碼采用的NRZ非歸零編碼（5個(gè)相同電平加入一個(gè)填充位），相同帶寬的情況下，NRZ編碼方式的信息量更大。

NRZI編碼：當(dāng)電平狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)，表示數(shù)據(jù)0，信號(hào)電平不變表示1（7個(gè)1變換一次0USB2.0通訊使用的編碼方式就是NRZI編碼。

RZ編碼

NRZ編碼

NRZI編碼

CAN的傳輸介質(zhì)

傳輸介質(zhì)：非屏蔽雙絞線

終端電阻：120Ω

雙絞線的作用：外部干擾在兩根導(dǎo)線上產(chǎn)生的噪聲（在專業(yè)領(lǐng)域里，把無用的信號(hào)叫做噪聲）相同，以便后續(xù)的差分電路提取出有用信號(hào)，差分電路是一個(gè)減法電路，兩個(gè)輸入端同相的信號(hào)（共模信號(hào)）相互抵消（m-n），反相的信號(hào)相當(dāng)于x-（-y），得到增強(qiáng)。

CAN的終端電阻

CAN總線終端電阻的作用有3個(gè)：

1.提高抗干擾能力，讓高頻低能量的信號(hào)迅速走掉

2.確?？偩€快速進(jìn)入隱性狀態(tài)，讓寄生電容的能量更快走掉

3.提高信號(hào)質(zhì)量，放置在總線的兩端，讓反射能量降低

寄生電容進(jìn)行充電和放電

高速信號(hào)傳輸，阻抗變化，引起的反射，“振鈴”現(xiàn)象

CAN終端電阻選擇

如圖所示是CAN總線的經(jīng)典拓?fù)鋱D。終端電阻一般選擇放在最遠(yuǎn)的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上。如果其中一個(gè)放在中間位置，終端電阻外面的CAN收發(fā)器處于支路上，這將大大增加該節(jié)點(diǎn)的信號(hào)反射，進(jìn)而影響總線通訊。

在CAN總線中使用的典型線纜，將它們扭制成雙絞線，就可根據(jù)上述方法得到特征阻抗大約為120Ω，這也是CAN標(biāo)準(zhǔn)推薦的終端電阻阻值，所以這個(gè)120Ω是測(cè)出來的，不是算出來的，都是根據(jù)實(shí)際的線束特性進(jìn)行計(jì)算得到的。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)需要考慮短路到18V的情況，假設(shè)CANH短路到18V，電流會(huì)通過終端電阻流到CANL上，而CANL內(nèi)部由于限流的原因，最大注入電流為50mA（TJA1145的規(guī)格書上標(biāo)注），這時(shí)候120Ω電阻的功率就是50mA*50mA*120Ω=0.3W。

CAN總線的電平邏輯

CAN的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)

采樣點(diǎn)：是總線數(shù)據(jù)被讀取并被解釋為相應(yīng)位值的時(shí)間點(diǎn)。

三、數(shù)據(jù)鏈路層

幀類型類型

數(shù)據(jù)幀

分類：標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展幀

SOF：1bit，起始位，顯性

Identifier：11bit/29bit, ID位

RTR：遠(yuǎn)程幀和數(shù)據(jù)幀位，遠(yuǎn)程幀“1”，數(shù)據(jù)幀“0”

SRR：替代遠(yuǎn)程幀位，“1”

IDE：擴(kuò)展幀和標(biāo)準(zhǔn)幀，擴(kuò)展幀“1”，標(biāo)準(zhǔn)幀“0”

r：預(yù)留

DLC：4bit，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位

Data Field：0-8 Byte，數(shù)據(jù)位

CRC：15bit，數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)SOF----CRC前

DEL：校驗(yàn)和應(yīng)答界定符

ACK：1bit，確認(rèn)數(shù)據(jù)是否正常接收，所謂正常接收是指不含填充錯(cuò)誤、格式錯(cuò)誤、 CRC 錯(cuò)誤。發(fā)送節(jié)點(diǎn)將此位為1，接收節(jié)點(diǎn)正常接收數(shù)據(jù)后將此位置為”0”；（1 bit）

DEL：校驗(yàn)和應(yīng)答界定符，隱形“1”

EOF：7bit，結(jié)束標(biāo)志位，連續(xù)7bit隱形位表示幀結(jié)束

CRC和ACK位

EOF結(jié)束位

遠(yuǎn)程幀

錯(cuò)誤幀

錯(cuò)誤幀：錯(cuò)誤幀可用于指示通信期間檢測(cè)到的錯(cuò)誤。錯(cuò)誤幀將強(qiáng)行中止正在進(jìn)行的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)傳輸。

錯(cuò)誤幀的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)幀或遠(yuǎn)程幀明顯不同，僅由兩部分構(gòu)成：錯(cuò)誤標(biāo)志（error flag）和錯(cuò)誤界定符。

錯(cuò)誤幀分類：

位錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢查，發(fā)送數(shù)據(jù)后回讀數(shù)據(jù)，檢查發(fā)送是否錯(cuò)誤

填充錯(cuò)誤：接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)。CRC之前，連續(xù)6個(gè)顯性或隱形位

ACK錯(cuò)誤：發(fā)送節(jié)點(diǎn)檢測(cè)。發(fā)送數(shù)據(jù)后ACK位沒有置低

格式錯(cuò)誤：CRC之后11bit固定的格式位，

CRC錯(cuò)誤：接收節(jié)點(diǎn)檢測(cè)

位填充

位填充從以SOF的傳輸為開始，以CRC序列的最后一位的傳輸為結(jié)束。因此在傳輸包含8個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)幀時(shí)，在極限情況下，應(yīng)有24個(gè)填充位。所以，理論上標(biāo)準(zhǔn)格式數(shù)據(jù)幀最多包含132位。

錯(cuò)誤檢測(cè)

錯(cuò)誤跟蹤

錯(cuò)誤處理流程

過載幀和幀間隙

過載幀：接收節(jié)點(diǎn)向總線上其它節(jié)點(diǎn)報(bào)告自身接收能力達(dá)到極限的幀。

幀間隔：是用來隔離數(shù)據(jù)幀（或者遠(yuǎn)程幀）的，也就是說，數(shù)據(jù)幀（或者遠(yuǎn)程幀）經(jīng)過插入幀間隔能夠?qū)⒈編c先行幀

（數(shù)據(jù)幀、遠(yuǎn)程幀、錯(cuò)誤幀、過載幀）分隔開來。

主動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)下的間隙幀

被動(dòng)錯(cuò)誤狀態(tài)下的間隙幀

發(fā)送仲裁機(jī)制

特點(diǎn)：

1.仲裁發(fā)送在仲裁段

2.采用“線與”機(jī)制

3.ID值越小，優(yōu)先級(jí)越高

4.仲裁失敗進(jìn)入“只聽”模式，等待空閑發(fā)送

上圖在多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文時(shí)，首次出現(xiàn)不同，且發(fā)送顯性位的節(jié)點(diǎn)占用總線。由于CAN報(bào)文首先發(fā)送的為ID段且顯性位為邏輯“0”，因此ID越小該幀的優(yōu)先級(jí)越高。

發(fā)送仲裁機(jī)制

上圖：數(shù)據(jù)幀A的優(yōu)先級(jí)高于數(shù)據(jù)幀B的優(yōu)先級(jí)，總線空閑時(shí)，數(shù)據(jù)A先發(fā)。

仲裁場(chǎng)

仲裁流程

幾種狀態(tài)仲裁錯(cuò)誤

仲裁場(chǎng)相同，數(shù)據(jù)場(chǎng)不一致

相同幀無應(yīng)答，產(chǎn)生應(yīng)答錯(cuò)誤

相同幀有應(yīng)答，隱藏了錯(cuò)誤

位同步機(jī)制

同步的目的其實(shí)就是保證采樣點(diǎn)采集時(shí)，采集的位數(shù)不會(huì)錯(cuò)亂，并且都是接收端同步。發(fā)送端發(fā)送一個(gè)幀，如果接收端有延時(shí)，并不做同步，那么就可能會(huì)出現(xiàn)，發(fā)送端發(fā)送第2位時(shí)，接收端還是按照第1位的時(shí)序來采樣，導(dǎo)致接收端認(rèn)為采集的到是第1位。顯然就出錯(cuò)了。

1）同步段（Synchronization Segment）：長(zhǎng)度固定，1個(gè)時(shí)間量子Tq；一個(gè)位的傳輸從同步段開始；同步段用于同步總線上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)，一個(gè)位的跳邊沿在此時(shí)間段內(nèi)。

2）傳播段（Propagation Segment）：傳播段用于補(bǔ)償報(bào)文在總線和節(jié)點(diǎn)上傳輸時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)間延遲；傳播段時(shí)長(zhǎng) ≥ 2 × 報(bào)文在總線和節(jié)點(diǎn)上傳輸時(shí)產(chǎn)生的時(shí)間延遲 ；傳播段時(shí)長(zhǎng)可編程（1~8個(gè)時(shí)間量子Tq）。

3）相位緩沖段1（Phase Buffer Segment1）：用于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)間的晶振誤差；允許通過重同步對(duì)該段加長(zhǎng)；在這個(gè)時(shí)間段的末端進(jìn)行總線狀態(tài)的采樣；長(zhǎng)度可編程（1~8個(gè)時(shí)間量子Tq）。

4）相位緩沖段2（Phase Buffer Segment2）：用于補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)間的晶振誤差；允許通過重同步對(duì)該段縮短；長(zhǎng)度可編程（1~8個(gè)時(shí)間量子Tq）。

同步段時(shí)鐘機(jī)制

系統(tǒng)時(shí)鐘→CAN時(shí)鐘→CAN位時(shí)間

波特率 = 1 / CAN位時(shí)間

位同步特點(diǎn)

一個(gè)位時(shí)間內(nèi)只允許一種同步方式，要么硬同步要么重同步；

任何一個(gè)從“隱性”到“顯性”的下降沿 都可以用于同步；

硬同步發(fā)生在報(bào)文的SOF位，所有接收節(jié)點(diǎn)調(diào)整各自當(dāng)前位的同步段，使其位于發(fā)送的SOF位內(nèi)；

重同步發(fā)生在一個(gè)報(bào)文SOF位之外的其它段，當(dāng)下降沿落在了同步段之外時(shí)發(fā)生重同步；

在SOF到仲裁場(chǎng)發(fā)送的時(shí)間段內(nèi)，如果有多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送報(bào)文，那么這些發(fā)送節(jié)點(diǎn)對(duì)跳變沿不進(jìn)行重同步。

硬同步

重同步

重同步，PBS1延長(zhǎng)

重同步，PBS2縮短

同步跳轉(zhuǎn)寬度

在重同步時(shí)，有個(gè)同步跳轉(zhuǎn)寬度（SJW，Synchro Jump Width）的概念，表示的是PBS1和PBS2重同步時(shí)允許跳轉(zhuǎn)的最大寬度。

同步跳轉(zhuǎn)寬度必須滿足以下幾個(gè)條件：

SJW必須小于PBS1和PBS2的最小值

SJW最大值不能超過4

同步段規(guī)則

CAN報(bào)文在CAN總線上的傳輸時(shí)，物理延遲包含兩個(gè)部分：

在CAN-BUS上傳輸造成的延遲

在節(jié)點(diǎn)內(nèi)部傳輸造成延遲

按照CAN通信協(xié)議的規(guī)定，補(bǔ)償給傳播延遲的時(shí)間長(zhǎng)度要至少等于實(shí)際實(shí)際傳播延遲時(shí)長(zhǎng)的2被，

即：tPTS≥2×tdel=2×(tdel+tBus)

四、CAN應(yīng)用層

定義ID的規(guī)則

定義控制命令和節(jié)點(diǎn)

定義索引對(duì)象

分段報(bào)文寫---起始幀

分段報(bào)文寫---傳輸幀和結(jié)束幀

分段報(bào)文讀-----起始幀

分段報(bào)文讀----傳輸過程

審核編輯 ：李倩